一種改進的Bursa模型在坐標轉(zhuǎn)換中的應用

陳博，黃翔，李瀧杲，邢宏文

(1. 南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016；2. 上海飛機制造有限公司航空制造技術研究所，上海 200000)

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一種改進的Bursa模型在坐標轉(zhuǎn)換中的應用

陳博1，黃翔1，李瀧杲1，邢宏文2

(1. 南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016；2. 上海飛機制造有限公司航空制造技術研究所，上海 200000)

摘要：在數(shù)字化測量中經(jīng)常面臨坐標轉(zhuǎn)換的問題，轉(zhuǎn)換參數(shù)在很大程度上影響著最終測量精度。在采用bursa模型求取轉(zhuǎn)換參數(shù)時一般是通過3個以上公共點利用最小二乘法求取，但其中的系數(shù)矩陣往往是病態(tài)的，使轉(zhuǎn)換參數(shù)并不可靠?，F(xiàn)采用7參數(shù)法，對布爾沙模型進行泰勒展開，建立了適用于大旋轉(zhuǎn)角的線性化坐標系轉(zhuǎn)換模型。

關鍵詞：坐標轉(zhuǎn)換；最小二乘；bursa模型；轉(zhuǎn)換參數(shù)

目前數(shù)字化測量在我國飛機外形及零部件檢測中應用越來越廣，正逐步取代舊式的、利用模線樣板等工藝裝備檢測方式。在獲取零部件外形高精度數(shù)據(jù)后與設計數(shù)模進行分析對比，一方面為現(xiàn)有工藝下的外形品質(zhì)提供可靠的數(shù)字化評價，另一方面通過大量檢測結(jié)果的統(tǒng)計分析，可以找出影響飛機零部件品質(zhì)的關鍵因素，進而建立檢測結(jié)果和誤差影響因素的統(tǒng)計圖表，為工藝的設計與改進提供理論和實踐參考，從而實現(xiàn)飛機零部件的制造品質(zhì)持續(xù)提升[1]。

使用激光跟蹤儀、激光雷達等數(shù)字化測量手段可以獲取高精度的測量數(shù)據(jù)，但是當被測工件超出其測量范圍時，測量儀器不確定度也隨著測量距離的增加而增加，從而導致測量精度的下降。如Leica AT901 B激光跟蹤儀的測量不確定度為±15 μm+6 μm/m，根據(jù)現(xiàn)場應用情況，測量長度一般應<10 m。為解決這一問題常采用的方法是使用多臺測量設備建立統(tǒng)一空間計量網(wǎng)絡USMN(unified spatial metrology network)。這樣就會涉及2個空間直角坐標系的轉(zhuǎn)換問題，目前最常用的空間直角坐標系的轉(zhuǎn)換通常用含有7個轉(zhuǎn)換參數(shù)的布爾沙模型，這樣在轉(zhuǎn)換計算轉(zhuǎn)換參數(shù)的過程中，需要至少3個公共基準點。但是這一模型一般是只適用于2個坐標系小角度的坐標轉(zhuǎn)換。但在實際使用中公共點位情況比較復雜，測量設備可能會以任意的姿態(tài)放置在地面上或工件上進行測量，所以2個坐標系之間的坐標軸之間的夾角一般不是微小角度。陳宇[2]等研究了基于7參數(shù)的非線性最小二乘法的坐標系轉(zhuǎn)換算法，劉東明[3]等研究了13參數(shù)的大角度三維坐標系轉(zhuǎn)換方法?，F(xiàn)針對傳統(tǒng)的統(tǒng)一空間計量網(wǎng)絡有檢測效率低、精度差的問題，采用激光雷達、激光跟蹤儀等測量設備建立統(tǒng)一空間計量網(wǎng)絡，利用泰勒展開將布爾沙模型線性化，建立了適用于大旋轉(zhuǎn)角的線性坐標系轉(zhuǎn)換模型，較好地平衡了測量效率與精度問題。

1激光雷達工作原理

激光雷達是一種大尺寸、非接觸、高精度、自動化、便攜式數(shù)字化測量設備。激光雷達擁有球形測量系統(tǒng)如圖1所示，通過運用調(diào)頻相干激光雷達測距技術和高精度反射鏡利用紅外激光光束測得被測點的距離d、俯仰角α、和方位角β從而轉(zhuǎn)換得出被測點的三維坐標信息。被測點空間坐標計算公式為：

(1)

圖1　極坐標測量

激光雷達測距原理： 激光器在發(fā)射一束經(jīng)空氣傳播到測量點并且返回的外測信號的同時, 又發(fā)射一束在定長光纖中傳播的內(nèi)置信號如圖2所示 。光纖的長度與固定測量距離S相對應, 即對應于激光在空氣中傳播2S的距離。假設測量點的距離為L, 那么激光在空氣中傳播的距離為2L, 返回的激光信號較在定長光纖中傳播的激光信號有Δt的時間延遲,Δt的時間延遲產(chǎn)生了Δf的頻率變化, 并且Δt與Δf成正比。在激光雷達中, 可以準確地測出頻率變化Δf, 通過測量頻率變化計算出時間延遲, 最終得出被測點與激光雷達的距離d。

圖2　激光雷達測距原理

2坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)計算方法

圖3　測量坐標系與全局設計坐標系關系模型

為方便描述，當旋轉(zhuǎn)角度為微小量時有：

?“Amaritudine”（苦澀），見 Cesare Ripa,Iconologia,Roma，1603，p12.

這種布爾沙模型對旋轉(zhuǎn)參數(shù)的三角函數(shù)做了近似處理，忽略了其中互乘項并記sinε=ε,cosε=1，用這種近似模型得出的旋轉(zhuǎn)參數(shù)只適用于旋轉(zhuǎn)角是微小角度的情況。如果旋轉(zhuǎn)角度不是微小角度時，使用這一模型將不能得出正確結(jié)果。而根據(jù)實際應用，測量儀器可能會以任意的姿態(tài)放置在地面或者安裝在飛機零部件上進行測量，這就意味著測量坐標系與全局設計坐標系之間的坐標軸旋轉(zhuǎn)角可能是任意角度?，F(xiàn)將布爾沙模型進行展開，并忽略二階及二階以上無窮小項，得：

其中，上標為0的表示取近似值，d(Δx)、d(Δy)、d(Δz)、dk、dεx、dεy、dεz為參數(shù)的改正數(shù)。

上式可簡化為：

Li=BiΔC

式中，ΔC為兩坐標系轉(zhuǎn)換參數(shù)的改正數(shù)，Li表示公共基準點Pi的擬合誤差，設Bi為公共基準點Pi的坐標系轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣。將式寫成誤差方程的形式：

Vi=BiΔC-Li

擴展至n維形式得：

V=BΔC-L

BTWV=0

聯(lián)立式和式，解算得到坐標系轉(zhuǎn)換參數(shù)的改正數(shù)：

ΔC=(BTWB)-1(BTWL)

由于各基準點可視為相同精度獨立觀測值，一般取觀測權重矩陣為單位矩陣，即W=I。轉(zhuǎn)換參數(shù)改正數(shù)的協(xié)因數(shù)矩陣Qxx和單位權中誤差估值為

QΔCΔC=(BTWB)-1

利用此方法，只要已知3個或3個以上的公共基準點的測量坐標和全局設計坐標，再為轉(zhuǎn)換參數(shù)選取合適的初值，加上每次求出的改正數(shù)，如此循環(huán)迭代，當改正數(shù)滿足一定精度時，停止迭代，便可求解出坐標系轉(zhuǎn)換參數(shù)。

3實例分析

為了驗證坐標系轉(zhuǎn)換精度，現(xiàn)對若干個測量點，進行坐標系轉(zhuǎn)換算法驗證試驗。選擇6個不共線的公共基準點，公共基準點的全局理論坐標和測量坐標如表1，表2所示。

表1　理論坐標和測量坐標　單位：mm

表2　利用坐標系轉(zhuǎn)換法，求解出轉(zhuǎn)換參數(shù)

可計算得到公共基準點在全局設計坐標系中的計算坐標，比較測量點全局計算坐標與理論坐標的差，最終考察坐標系統(tǒng)一的計算精度如表3所示。

表3　計算精度表　單位：mm

實驗結(jié)果表明，該算法相對于原有算法能在較少的迭代次數(shù)內(nèi)快速收斂，并精確的求解出坐標系轉(zhuǎn)換參數(shù)。該算法能行之有效的完成坐標系轉(zhuǎn)換，并具有較高的轉(zhuǎn)換精度，滿足工程應用需求。

4結(jié)語

針對傳統(tǒng)的bursa模型通過3個以上公共點利用最小二乘法求取轉(zhuǎn)換參數(shù)時系數(shù)矩陣往往嚴重病態(tài)，一般只適用于小角度坐標系轉(zhuǎn)換，當坐標系夾角不是微小角度時求得的轉(zhuǎn)換參數(shù)并不可靠的問題，采用7參數(shù)法，對布爾沙模型進行泰勒展開，將布爾沙模型線性化，建立了適用于大旋轉(zhuǎn)角的線性坐標系轉(zhuǎn)換模型，較好地解決了平衡測量效率與精度問題。該方法具有數(shù)值計算精度高、計算穩(wěn)定性好、收斂速度快等特點，適用于任意旋轉(zhuǎn)角的坐標系轉(zhuǎn)換，能夠?qū)崿F(xiàn)測量過程中的坐標系轉(zhuǎn)換。

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Application of Improved Bursa Model in Coordinate Transformation

CHEN Bo1,HUANG Xiang1, LI Shuang-gao1,XING Hong-wen2

(1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016,China; 2. Shanghai

Aircraft Manufacturing Co.,Ltd., Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute, Shanghai 200000,China)

Abstract:In the digital measurement, the problem of coordinate transformation is often faced with. The transformated parameters may have direct influence on the measurement accuracy. These parameters can be obtained with least square at least three common points on Bursa model. Because of the ill-posed coefficient matrix, the obtained parameters are unreliable. By linearizing the model of Bursa-Wolf, Taylor is expanded and the linearized model of coordinate transformation is built, in order to be suitable for large rotation angle.

Keywords:coordinate transformation, least square, bursa model, transformation parameters

收稿日期：2014-11-27

中圖分類號：V556.7

文獻標志碼：A

文章編號：1671-5276(2015)03-0087-03

作者簡介：陳博(1989-)，男，山東菏澤人，碩士，研究方向：數(shù)字化測量。